高下载量文章:双功能隔膜MOF/rGO显著提升锌负极性能

Simultaneously Regulating Uniform Zn²⁺ Flux and Electron Conduction by MOF/rGO Interlayers for High‑Performance Zn Anodes

Ziqi Wang, Liubing Dong, Weiyuan Huang, Hao Jia, Qinghe Zhao, Yidi Wang, Bin Fei*, Feng Pan*

Nano-Micro Letters (2021)73: 13 

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00594-7

本文亮点

12 mA cm⁻²的电流密度下实现500 h稳定的锌沉积剥离循环

2. 实现10 mA cm⁻²电流密度下锌沉积

3. Zn|MnO₂电池2000个循环后容量保持率结近100%

内容简介

锌离子电池采用水系电解液、金属锌负极,成本低、安全性高,是大规模储能和可穿戴设备领域理想的储能体系。但是,受限于锌负极的枝晶、腐蚀和副反应等问题,目前锌离子电池还未满足实际应用的性能指标。锌的沉积是电子和离子的协同过程,负极表面均匀的离子传输与电子导电网络有助于锌的均匀沉积。因此,对于高性能锌负极的设计要兼顾这两个因素。暨南大学王子奇教授及董留兵教授,香港理工大学费宾副教授和北京大学深圳研究生院潘锋教授等在本研究采用离子导电MOF和石墨烯设计功能隔膜。离子导电MOF具有三维周期排列的阴离子孔道,能引导Zn²⁺在内部的均匀传输;而石墨烯层能在锌负极表面建立额外的电子传输网络,在负极表面产生局部钝化时依旧能够维持电子均匀传输。在这种双功能隔膜的作用下,锌负极的电化学可逆性得到优化、锌离子电池的综合性能也有显著提高。
图文导读

I 双功能隔膜的制备及表征

以PP/PE隔膜为基底,分别采用涂覆法制备MOF离子导电层、采用抽滤法制备rGO电子导电层。

图1. a) 双功能隔膜结构示意图;b) 隔膜及MOF的XRD;c) MOF离子导电层,b) rGO电子导电层及d) 隔膜断面的扫描电镜照片。

II 锌对称电池沉积剥离测试

采用锌对称电池进行沉积剥离测试,对比未功能化的隔膜研究MOF/rGO功能层的作用。研究表明,功能化的隔膜有助于锌的均匀沉积并提高循环寿命、降低电荷转移阻抗。

图2. a, c) 不同电流密度下的Zn沉积剥离循环;d) 循环前后电池的电化学阻抗谱;采用b) 未功能化及e) 功能化隔膜循环后锌负极的扫描电镜照片。

III 锌|铜不对称电池沉积剥离测试

进一步研究Zn|Cu不对称电池。研究发现,在功能隔膜的作用下,锌在铜集流体的沉积剥离具有更高的库伦效率,更低的沉积电势,沉积形貌更加均匀。

图3. a) Zn|Cu电池的沉积剥离循环及b) 曲线;c) 沉积后的正负极照片;d) 库伦效率;e) 10 mAh cm-2高沉积量下的沉积曲线;采用f) 功能化及e) 未功能化隔膜时锌在铜上的沉积形貌。

IV Zn|MnO₂全电池测试

最后,以MnO₂为正极材料,对比测试了功能化隔膜对全电池综合性能的影响。结果表明,功能化隔膜优化了负极的离子和电子传输,提高了负极的动力学性能,进而显著提高了全电池的倍率性能,功率密度超过了10 kW/kg。

图4. 采用a) 功能化隔膜和b) 未功能化隔膜的电池CV曲线;c) 电池的Ragone曲线;d) 电池的循环性能;e) Zn对称电池的塔菲尔曲线。
作者简介

王子奇

本文共同一作

暨南大学 教授

主要研究领域

课题组致力于二次电池关键部件研究,如金属(锂、锌)负极、高性能正极材料和固态电解质等;金属-有机框架材料(MOFs)在电化学储能领域的应用研究。

Email: wangzq@jnu.edu.cn

个人主页

chemmat.jnu.edu.cn/2017/0420/c5161a520211/page.htm

董留兵

本文共同一作

暨南大学 教授

主要研究领域

课题组致力于先进碳基材料及新型电化学储能体系的研究,主要包括锌离子混合电容器、二次锌离子电池以及柔性超级电容器等。

Email: donglb@jnu.edu.cn

个人主页

faculty.jnu.edu.cn/hcy/dlb/list.htm

费宾

本文通讯作者

香港理工大学 副教授

主要研究领域

课题组聚焦于柔性储能材料及光电催化、先进纤维纺制与织物构造、生物高分子及仿生纳米工程等领域。

Email: bin.fei@polyu.edu.hk

个人主页

www.polyu.edu.hk/itc/en/people/academic-staff/?itcsid=15

潘锋

本文通讯作者

北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长

主要研究领域

所领导的研究团队聚焦于清洁能源及关键材料的研发,包括新型太阳能电池、热电发电、光电催化、储能和动力电池及关键材料的跨学科的基础研究和应用。

主要研究成果

发表了包括2篇《自然.纳米技术》在内的SCI代表性的一区学术论文200余篇,2015-2020连续六年入选爱思唯尔中国高被引学者,国际发明专利3项,国内授权发明专利27项。获2016年国际电动车锂电池协会杰出研究奖、2018年美国电化学学会电池科技奖、2018年深圳市自然科学一等奖(领军),在锂电池材料方面的成果入选2019“中国百篇最具影响国际学术论文”。

Email: panfeng@pkusz.edu.cn

课题组主页

www.pkusam.cn/China/Index.html
撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

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